成都地震监测中心站大气电场数据特征分析.pdf

33第 2 期（总第 187 期）2023 年 6月No.2Jun.2023收稿日期：2022-09-01；修回日期：2022-11-30基金项目：中国地震局震情跟踪定向工作任务（2022010410）和四川省地震局地震科技专项（LY2220）共同资助作者简介：刘江（1982-），男，四川成都人，工程师，主要从事大气电场、电离层数据解算分析工作 E-mail：22388116 qq com近年来，大气电场异常的研究受到国内外学者的广泛关注。大气电场作为大气电活动的重要参数，可为全球及区域气候变化、雷暴预警、临震前兆监测等研究提供重要依据。在临震监测预报方面，Pierce（1976）最早提出大气电场异常可被看作地震前兆信号。Pulinets 等（2004）提出岩石圈、大气层和电离层耦合模型（LAIC），认为地震活动会引起孕震区内大气电场强度变化，进而导致区域电离层异常扰动。陈涛等（2021）提出临震晴天大气静电信号异常的物理机制，认为大震临震阶段，震中区域附近地壳构造发生临界变化，氡等惰性气体得以释放，通过放射性电离辐射产生异常多的正负离子，进而在孕震区附近形成与晴天大气相反的极化电场。与此同时，震前大气电场异常扰动多次被国内外中强地震观测结果所证实。基于四川地区大气电场观测资料分析，2008 年汶川 MS8 0、2017 年九寨沟 MS7 0 及 2019 年长宁 MS6 0 等多次大地震发生前，孕震区内均出现大气电场强度的显著异常（Jin et al，2020；陈涛等，2021）。大量研究结果表明，大震临震阶段震中区域大气电场异常扰动容易被近场静电监测设备所感知，MS5 0 以上地震发生前几小时至几天时间段内，大气电场可能会出现异常变化（郝建国等，2001；Mizuno et al，2013；马伽洛伦等，2014）。在排除太阳活动、气象因素影响的情况下，大气电场异常扰动很可能就是大型地质活动导致大面积岩石微破裂的临震异常信号（Pulints et al，2011）。通常晴天大气电场被视为大气电场的背景量，晴天大气电场的特征性世界时日曲线被称为卡内基曲线（Carnegie curve）（高志旭等，2022），对于研究大气电场的特征变化尤为重要。大气电场研究结果表明，近地面晴天大气电场方向向下，呈卡内基曲线，大小约为+100+300 V m（Rycroft et al，2008）。而受到太阳活动、气象因素（雷暴、降雨等）、地质构造活动等因素的影响，大气电场强度会出现不同程度的异常扰动。其中，太阳活动可能导致高纬度地区的高能电子通量增加，沉降的高能电子激发出 X 射线，电离大气使得空间电荷增加，最终导致近地面大气电场增强，而中低纬度地区大气电场变化受太阳活动的影响较小（Shumilov et al，2015；Li et al，2020）。此外，大气电场对各类气象要素的变化有着较敏锐的反应，尤其是雷暴、降雨等气象变化都会引起大气电场的剧烈波动（刘畅等，2016；张婧雯等，2021；高志旭等，2022）。因此，针对局部地区不同气象因素下大气电场变化特征的统计分析，不仅有助于该地区气候特征的研究，对于判识大型地质构造活动引起的大气电场异常信号，探索临震大气电场异常更具有重要意义。成都位于我国西南地区四川盆地西部，地处中低纬度地区，日照时间短，空气潮湿，属亚热带季风气候成都地震监测中心站大气电场数据特征分析刘 江，梁 宏，陈学芬，杨 洋，姚贤良（四川省地震局，四川 成都 610041）摘 要：基于成都地震监测中心站大气电场监测数据，结合气象观测资料，统计分析不同气象条件下大气电场强度的时序变化特征。结果显示：晴天大气电场峰值出现在 08 00，电场峰值变化范围为 0 20 4 kVm，日变化特征较为明显，冬季晴天大气电场强度较大，季节变化特征显著。雷暴天气大气电场峰值绝对值大于 4 0 kVm，大气电场强度正负交替、剧烈变化特征明显。降雨天气大气电场峰值绝对值变化范围为 0 51 7 kVm，大气电场持续负值变化特征明显。基于区域大气电场异常分析，研究气象因素对大气电场异常影响的共性特征，为有效判识地质构造活动引起的大气电场前兆异常信号提供研究基础。关键词：大气电场；异常特征；气象因素中图分类号：P315 7 文献标识码：A 文章编号：1001-8115（2023）02-0033-05DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 02 006342023 年第 2 期四 川 地 震地区。大气电场受局部地区气象因素的影响显著。通过对成都地区大气电场数据分析，研究不同天气条件下大气电场强度的时序变化能够帮助我们了解区域总体电学特征，掌握气象因素对大气电场异常影响的共性特征，为有效判识地质构造活动引起的大气电场前兆异常信号提供研究基础。1 数据资料目前，由中国科学院国家空间科学中心、中国地震局地震预测研究所和四川省地震局三方共同参与的“大气电场仪四川场地第一期台站建设工程”已顺利完成。该项目在四川地区重要断裂带附近新建 29 个大气电场监测站，配备 DNDY-3 型大气静电监测仪。本文以安装在四川省地震局成都地震监测中心站的大气电场台（以下简称“成都台”）为例，完成大气电场强度数据分析。该监测仪安装在保安楼楼顶，周围地面平坦，四周无遮挡，数据观测结果能较好地反映附近区域大气电场变化特征。同时，台站配备气压、气温、降水气象三要素观测手段，便于大气电场数据对比跟踪监测。大气电场仪包含电场探头、立柱、电源箱、基座等 4 个部分，220 V 交流供电，通信模块采用 4G 无线网络将数据传输至北京数据中心，通过有线网络将数据传输至四川省地震局，数据采样率为 1 s。其主要性能指标根据气象因素变化有所差异，分为晴天大气和非晴天大气两部分，详见表 1。2 特征分析选取 2021 年 6 月至 2022 年 5 月成都台大气电场强度监测数据，统计分析该台在晴天、雷暴、降雨等不同气象条件下的大气电场强度变化特征，初步研究总结气象因素对大气电场异常影响的共性特征，为有效判识大气电场临震异常信号提供分析基础。21 晴天天气大气电场变化特征晴天大气电场数据的筛选条件：晴天，无雷暴、降雨、暴风雪等气象活动，平均风速不大于 8 m s。在晴天天气条件下，大气电场的日变化特征较为明显，包含个别时间段脉动起伏变化，主要表现为大气电场强度的峰值出现时间（刘畅等，2016）。根据以上判断标准，共筛选出了 85 d 晴天大气电场数据。研究发现，成都台晴天天气大气电场曲线变化幅度较小，本文列举了 10 次有代表性的观测结果（表 2）。其中，2021 年 7 月 10 日成都台大气电场变化曲线如图 1 a，峰值出现时间为 08 18，最大电场值为 0 39 kV m；2022 年 4 月 19 日成都台大气电场变化曲线如图 1 b，峰值出现时间为 08 19，最大电场值为 0 38 kV m。基于长期监测数据统计发现，成都台晴天天气大气电场峰值出现时间大致在早上 08 00，电场峰值为0 20 4 kV m。在这一时段，由于日出后空气温度开始升高，大气中的对流活动逐渐增加，悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所形成的气溶胶浓度增大，大气电场强度逐渐达到峰值。傍晚 20 00 前后由于热对流和湍流的作用，导致近地面水汽、气溶胶浓度发生变化，从而引起大气电场强度的较大波动（付亚平等，2012；张祎等，2015），整体而言，大气电场日变化特征较为明显。此外，根据成都台 85 d 晴天大气电场数据分别计算日均值，通过统计求得大气电场月度变化（图 2）。结果显示，成都台大气电场强度变化具有明显的季节特征，夏秋季 610 月大气电场强度值起伏变化较小，11 月至次年 2 月大气电场强度值较大，3 月以后，电场值显著减小。该统计结果与张祎等（2015）、徐斌等（2009）分析结果基本一致，晴天大气电场强度变化易受局地环境因素的影响。表 2 成都台晴天天气大气电场记录日期峰值时间最大电场值 （kV m-1）日期峰值时间最大电场值 （kV m-1）2021-07-1008 180 39 2021-09-1710 010 30 2021-07-2708 250 34 2021-10-1506 520 33 2021-08-1108 160 28 2021-10-2010 100 382021-08-2708 130 38 2022-04-1908 190 382021-09-0108 330 27 2022-04-2308 110 25表 1 大气电场仪主要性能指标参数类别晴天大气非晴天大气灵敏度 （V m-1）0 210分辨率 （V m-1）0 12 5测量范围 （kV m-1）-11-5050采样率 s11352023 年 6 月刘 江，等：成都地震监测中心站大气电场数据特征分析图 1 成都台 2021-07-10（a）和 2022-04-19（b）晴天天气大气电场日变化曲线22 雷暴天气大气电场变化特征雷暴天气可看作是电荷的聚集、释放中和过程，当电荷聚集到一定量值后，释放中和表现为闪电的发生。同一雷暴过程的不同阶段会呈现出不同的分布特征，部分地区雷暴的产生、活跃及消亡阶段非常明显。成都台雷暴天气频繁发生，本文列举了该台站 10次有代表性的雷暴天气过程（表 3），雷暴持续时间最短为 60 min，最长为 240 min，雷暴发生时大气电场变化强烈。其中，成都台 2021 年 7 月 14 日雷暴天气的大气电场强度变化如图 3a 所示，雷暴当顶时地面电场为负电场，06 0008 00 为雷暴活跃阶段，大气电场剧烈变化，08 0010 00 为雷暴消亡阶段，大气电场变化强度及频度减弱直至消亡，最大电场绝对值为 5 2 kV m；2021 年 8 月 18 日大气电场强度变化如图 3b 所示，雷暴当顶时地面电场为正电场，08 00-10 00 为雷暴活跃阶段，大气电场剧烈变化，10 0011 00 为雷暴消亡阶段，大气电场变化强度及频度减弱直至消亡，最大电场绝对值为 4 6 kV m。研究发现，雷暴形成阶段，云中水汽释放潜热，产生上升气流，云内温度升高并形成乱流，云中电荷聚集，但并未形成雷电。雷暴活跃阶段，随着上升气流持续加强形成降水，云中乱流十分强烈，雷暴当顶时地面电场可正可负，这与雷电云中的电荷极性及分布密切相关；随后闪电频繁发生，地面大气电场正负交替、剧烈变化，电场绝对值达到最大。雷暴消亡阶段，闪电放电活动基本停止，上升气流减弱甚至消失，云体瓦解，地面电场缓慢变化（王洁等，2014；刘畅等，2016）。同时，大气电场仪记录的大气电场强度变化能够清晰地反映雷暴的产生、活跃及消亡整个气象变化过程。结合雷暴气象数据统计结果，成都台雷暴天气大气电场峰值绝对值一般大于 4 0 kV m，与多次雷电发生的空间距离及电荷量大小密切相关，大气电场强度正负交替、剧烈变化特征明显。表 3 成都台雷暴天气大气电场记录雷暴发生 日期雷暴起始 时间雷暴持续 时间 min最大电场 绝对值 （kV m-1）雷暴发生 日期雷暴起始 时间雷暴持续 时间 min最大电场 绝对值 （kV m-1）2021-07-1405 302405 2 2021-09-1501 301804 7 2021-07-2000 001205 0 2021-10-0500 00905 6 2021-08-0320 4012010 0 2021-10-2421 501106 0 2021-08-0422 001206 8 2022-04-1117 506011 0 2021-08-1807 501504 6 2022-04-2722 20904 0 图 2 2021 年 6 月至 2022 年 5 月成都台大气电场月变化23 降雨天气大气电场变化特征云层降雨可引起大气电场持续负值异常变化，其中强对流降雨天气一般伴随多次强烈的雷电过程，降雨信号一般比雷电信号弱，大气电场负值异常容易被掩盖。因此，研究成都台云层降雨过程应该排除雷